JP2009516911A - Electrically pumped ND3 + doped solid state laser - Google Patents
Electrically pumped ND3 + doped solid state laserInfo
- Publication number
- JP2009516911A JP2009516911A JP2008540659A JP2008540659A JP2009516911A JP 2009516911 A JP2009516911 A JP 2009516911A JP 2008540659 A JP2008540659 A JP 2008540659A JP 2008540659 A JP2008540659 A JP 2008540659A JP 2009516911 A JP2009516911 A JP 2009516911A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- layer
- active medium
- rare earth
- doped
- target
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000007787 solid Substances 0.000 title abstract description 12
- 229910052761 rare earth metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 60
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 59
- -1 rare earth ions Chemical class 0.000 claims abstract description 50
- 239000005543 nano-size silicon particle Substances 0.000 claims abstract description 47
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 36
- 230000003321 amplification Effects 0.000 claims abstract description 21
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 claims abstract description 21
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 11
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims description 52
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 43
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 33
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 26
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 26
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 26
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 26
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 25
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 claims description 24
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 23
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 22
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims description 20
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 20
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims description 19
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 18
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 16
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims description 14
- 150000002910 rare earth metals Chemical class 0.000 claims description 13
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 claims description 8
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 claims description 7
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 229910001404 rare earth metal oxide Inorganic materials 0.000 claims description 6
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 238000000137 annealing Methods 0.000 claims description 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 131
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 16
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 15
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 12
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 9
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 9
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 9
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 9
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 7
- 239000010408 film Substances 0.000 description 7
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 7
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000009102 absorption Effects 0.000 description 6
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 6
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 6
- 229910052691 Erbium Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 5
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 5
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 5
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 5
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 5
- 238000004020 luminiscence type Methods 0.000 description 5
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 5
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 4
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 4
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 description 4
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 4
- 229910017493 Nd 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 3
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 3
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 3
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 3
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 3
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 3
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 3
- 230000001965 increasing effect Effects 0.000 description 3
- AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N indium;oxotin Chemical compound [In].[Sn]=O AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 3
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 3
- 229910005793 GeO 2 Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052779 Neodymium Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 2
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 2
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 2
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 2
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 2
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 2
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 2
- 238000001020 plasma etching Methods 0.000 description 2
- 238000005036 potential barrier Methods 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 2
- 229910021364 Al-Si alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000980 Aluminium gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910018487 Ni—Cr Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000001069 Raman spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 229910008065 Si-SiO Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910020286 SiOxNy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910006405 Si—SiO Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 1
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 238000005253 cladding Methods 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- QEFYFXOXNSNQGX-UHFFFAOYSA-N neodymium atom Chemical compound [Nd] QEFYFXOXNSNQGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000006911 nucleation Effects 0.000 description 1
- 238000010899 nucleation Methods 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 238000005424 photoluminescence Methods 0.000 description 1
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 230000009103 reabsorption Effects 0.000 description 1
- 238000005546 reactive sputtering Methods 0.000 description 1
- 230000009257 reactivity Effects 0.000 description 1
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 1
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000003624 transition metals Chemical class 0.000 description 1
- 230000005641 tunneling Effects 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
- H01S3/06—Construction or shape of active medium
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
- H01S3/06—Construction or shape of active medium
- H01S3/063—Waveguide lasers, i.e. whereby the dimensions of the waveguide are of the order of the light wavelength
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
- H01S3/06—Construction or shape of active medium
- H01S3/063—Waveguide lasers, i.e. whereby the dimensions of the waveguide are of the order of the light wavelength
- H01S3/0632—Thin film lasers in which light propagates in the plane of the thin film
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/09—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/14—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range characterised by the material used as the active medium
- H01S3/16—Solid materials
- H01S3/1601—Solid materials characterised by an active (lasing) ion
- H01S3/1603—Solid materials characterised by an active (lasing) ion rare earth
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/14—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range characterised by the material used as the active medium
- H01S3/16—Solid materials
- H01S3/1601—Solid materials characterised by an active (lasing) ion
- H01S3/1603—Solid materials characterised by an active (lasing) ion rare earth
- H01S3/1611—Solid materials characterised by an active (lasing) ion rare earth neodymium
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/14—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range characterised by the material used as the active medium
- H01S3/16—Solid materials
- H01S3/1628—Solid materials characterised by a semiconducting matrix
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/14—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range characterised by the material used as the active medium
- H01S3/16—Solid materials
- H01S3/169—Nanoparticles, e.g. doped nanoparticles acting as a gain material
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/14—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range characterised by the material used as the active medium
- H01S3/16—Solid materials
- H01S3/17—Solid materials amorphous, e.g. glass
- H01S3/176—Solid materials amorphous, e.g. glass silica or silicate glass
Abstract
固体レーザーの分野、そしてより特定的には、希土類イオンでドープされたレーザーキャビティに関するものであり、更に、レーザー増幅構造、レーザー、付随する生産方法及びレーザー増幅構造の使用にも関するものである。増幅構造は、電気的に励起されることができ、活性媒質及びこの活性媒質の両方の側面に配置された少なくとも2つの電極を含む。酸化ケイ素の第1の層を含む活性媒質は、ケイ素ナノ粒子及び希土類イオンで同時ドーピングされている。 It relates to the field of solid state lasers, and more particularly to laser cavities doped with rare earth ions, and also to the use of laser amplification structures, lasers, associated production methods and laser amplification structures. The amplification structure can be electrically excited and includes an active medium and at least two electrodes disposed on both sides of the active medium. The active medium comprising the first layer of silicon oxide is co-doped with silicon nanoparticles and rare earth ions.
Description
本発明は、固体レーザーの分野、そしてより特定的には希土類イオンでドープされたレーザーキャビティに関する。 The present invention relates to the field of solid state lasers, and more particularly to laser cavities doped with rare earth ions.
レーザーの販売市場は、主としてレーザーダイオード、及び希土類又は遷移金属によりドープされた絶縁材料(ガラス及び水晶)に基づくレーザーによって独占されている。 The market for lasers is dominated by lasers based primarily on laser diodes and insulating materials (glass and quartz) doped with rare earths or transition metals.
レーザーダイオードは、主として光線を生成することを目的とする半導体を用いたダイオードから成る。ポンピングは、一方の側面で発生媒質の正孔、そしてもう一方の側面でその電子を富化させる電流の助けを得て実施される。光は正孔と電子を再結合させることによって接合部で生成される。このタイプのレーザーは、いかなるキャビティミラーも有していない。レーザーダイオード内では、レーザー効果を得るために必要とされる反転分布は電気的励起を用いて可能となっており、かかるシステムのコンパクト性が改善されている。しかしながらこれらのシステムは、動作又は構造、そしてその結果として発生する物理的問題に関して固体レーザーとは異なっている。 The laser diode is mainly composed of a diode using a semiconductor for the purpose of generating a light beam. Pumping is performed with the help of a current that enriches the holes of the generating medium on one side and the electrons on the other side. Light is generated at the junction by recombining holes and electrons. This type of laser does not have any cavity mirrors. Within a laser diode, the inversion distribution required to obtain the laser effect is possible using electrical excitation, improving the compactness of such a system. However, these systems differ from solid state lasers in terms of operation or structure, and the resulting physical problems.
固体レーザーは、水晶又はガラスといった固体媒質を光子発生用媒質として使用する。水晶又はガラスは利得媒質にすぎず、レーザー媒質(活性媒質、すなわち中でレーザー効果が起こる、つまり発光のためのドーピング元素を励起及び脱励起する現象が起こる媒質)である少なくとも1つのイオンによってドープされる。固体レーザーの中で最も良く知られ、最も一般的であるのはYAG:Nd3+である。活性イオンでドープされた絶縁材料(水晶及びガラス)は、ランプ又はレーザーダイオードによる光ポンピングを必要とし、かくしてその集積化は制限される。一方、それらの特性はレーザーダイオード(簡潔、高エネルギーパルス、強い輝度、スペクトル同調性、強い発光力など)とは異なり、かつこれを相補うものである。 A solid-state laser uses a solid medium such as quartz or glass as a photon generating medium. Quartz or glass is only a gain medium and is doped with at least one ion which is a laser medium (active medium, ie a medium in which the laser effect takes place, ie a phenomenon in which the doping element for light emission is excited and deexcited) Is done. The best known and most common of solid state lasers is YAG: Nd 3+ . Insulating materials doped with active ions (quartz and glass) require optical pumping with lamps or laser diodes, thus limiting their integration. On the other hand, their characteristics are different from and complementary to laser diodes (succinct, high energy pulses, strong brightness, spectral tunability, strong luminous power, etc.).
活性媒質は、同様に、ドープ繊維、導波路増幅器などといった類似の分野でも使用される。 Active media are also used in similar fields such as doped fibers, waveguide amplifiers and the like.
希土類ドープ繊維の分野は、超高出力レーザーの創出により著しく発達した。該繊維は、多大な使用上の柔軟性を提供するものの、レーザー集積化を可能にするものではない。 The field of rare earth doped fibers has developed significantly with the creation of ultra high power lasers. Although the fibers provide great flexibility in use, they do not allow laser integration.
活性イオンによりドープされた薄い導波層の形をした集積システムについては、主として、1.5μm前後でEr3+及びTm3+でドープされた電気通信増幅器に研究努力が払われている。同様に、高い出力レベルを得ることのできる薄い導波層状のレーザーの生産に関する広範な研究作業も行なわれてきた。かかるシステムは、例えば、国際出願第065093号(WO−065093)及び米国特許出願第2005/0195472号といった特許出願の中で記述されている。この最初の出願においては、ケイ素のSi及び希土類原子のナノクラスタ(ナノ粒子)で同時ドープされた酸化ケイ素導波管は、可視光を吸収するものの赤外発光は吸収しない。この原理に基づいて、光ポンピング源が導波管の上に設置される。導派管内に注入されたポンピング光は、(電子−正孔結合により)ケイ素ナノ粒子を励起し、これが今度は希土類元素を励起する。ケイ素ナノ粒子と希土類元素の間のこのようなエネルギー伝達が、「Ndナノクラスタカップリング強度、及びNdドープされたケイ素富有酸化ケイ素内でのNd3+ルミネッセンスの励起/脱励起におけるその効果」という題の刊行物(Seo et at. Applied Physics Lelters, 第83巻、第14号、2003年10月6日)の中で示唆されており、有効性の増加(数十倍さらには百倍)が得られている。このとき、光入力信号が、希土類元素により生成されたエネルギーを用いて導派管内で増幅され、増幅された光出力信号の形で出てくる。 For integrated systems in the form of thin waveguide layers doped with active ions, research efforts are mainly focused on telecommunications amplifiers doped with Er 3+ and Tm 3+ around 1.5 μm. Similarly, extensive research work has been done on the production of thin waveguide lasers that can achieve high power levels. Such systems are described in patent applications such as, for example, International Application No. 065093 (WO-065093) and US Patent Application No. 2005/0195472. In this first application, a silicon oxide waveguide co-doped with silicon Si and rare earth atom nanoclusters (nanoparticles) absorbs visible light but not infrared radiation. Based on this principle, an optical pumping source is installed on the waveguide. The pumping light injected into the conducting tube excites the silicon nanoparticles (by electron-hole bonding), which in turn excites the rare earth elements. Such energy transfer between silicon nanoparticles and rare earth elements is referred to as “Nd nanocluster coupling strength and its effect on excitation / deexcitation of Nd 3+ luminescence in Nd-doped silicon-rich silicon oxide”. The title publication (Seo et at. Applied Physics Lelters, Vol. 83, No. 14, October 6, 2003) suggests an increase in effectiveness (several tens or even a hundredfold). It has been. At this time, the optical input signal is amplified in the conducting tube using the energy generated by the rare earth element, and comes out in the form of an amplified optical output signal.
このシステムは、ケイ素ナノ粒子を含む全てのシステムと同様、光ポンピングのためのレーザーダイオードと、集積化を制限するドープされた活性媒質の結合を必要とする。 This system, like all systems containing silicon nanoparticles, requires the combination of a laser diode for optical pumping and a doped active medium that limits integration.
本発明の第1の目的は、より複雑なシステムの中への固体レーザーの集積化を促進することにある。 The primary object of the present invention is to facilitate the integration of solid state lasers into more complex systems.
本発明のもう1つの目的は、可能なかぎりコンパクトな固体レーザーを提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a solid state laser as compact as possible.
光ポンピングのためのレーザーダイオードの存在は同様に、その効率性に起因するエネルギーの浪費も意味している。 The presence of a laser diode for optical pumping also means energy waste due to its efficiency.
本発明のもう1つの目的は、固体レーザーの電力消費量を削減し、ひいてはこれらのシステムの効率を高めることにある。 Another object of the present invention is to reduce the power consumption of solid state lasers and thus increase the efficiency of these systems.
レーザーダイオードは廉価ではあるものの、固体レーザーシステムの製造にあたってはなおも経済的な支出を必要とする。 Although laser diodes are inexpensive, the production of solid state laser systems still requires economic expenditure.
本発明のもう1つの目的は、固体レーザーの製造をより複雑にすることなく、その製造コストを削減することにある。 Another object of the present invention is to reduce the manufacturing cost of the solid state laser without making it more complicated.
上述の第2の出願においては、光増幅器は、エルビウムイオンでドープされたケイ素から作られた導波管から成り、前述の導波管は、導派管の相対する壁の上に配置された2つの電極を用いて光学的又は電気的のいずれでもあり得るポンピングエネルギーによって、又はラマン散乱によって動力供給される。電気ポンピングを伴う実施形態においては、エルビウムイオンは、2つの電極の間に適用された電場により励起される。しかしながら、エルビウムイオンは電場に対する感度が低く、活性エルビウムイオンの直接的励起のための唯一の可能性は、(電気的励起とは対照的である)このイオンによる光子吸収であることからかかる直接的励起は実際には機能せず、従ってシステムは充分な数の励起済みイオンを得るために多くのエネルギーを消費する。 In the second application mentioned above, the optical amplifier consists of a waveguide made of silicon doped with erbium ions, said waveguide being arranged on the opposite wall of the conduit. Powered by pumping energy, which can be either optical or electrical, using two electrodes, or by Raman scattering. In embodiments involving electrical pumping, erbium ions are excited by an electric field applied between the two electrodes. However, erbium ions are less sensitive to electric fields and the only possibility for direct excitation of active erbium ions is that photon absorption by this ion (as opposed to electrical excitation). Excitation does not actually work, so the system consumes a lot of energy to get a sufficient number of excited ions.
従って、本発明のもう1つの目的は、ドーピングイオンのより容易な励起を可能にする電気的ポンピングレーザー解決法、特に効率を改善しながらエネルギー消費量の低い解決法を供給することにある。 Accordingly, another object of the present invention is to provide an electrically pumped laser solution that allows easier excitation of doping ions, particularly a solution with low energy consumption while improving efficiency.
これらの類似のシステム(導派管増幅器、レーザーファイバなど)の動作は、増幅される入力光信号に大きく左右されるということも指摘される。これとは対照的に、本発明が関係している固体レーザーは、出力信号を発出するために入力光信号の使用を必要としない。 It is also pointed out that the operation of these similar systems (conducting amplifiers, laser fibers, etc.) is highly dependent on the input optical signal being amplified. In contrast, solid state lasers with which the present invention is concerned do not require the use of an input optical signal to emit an output signal.
上述の目的の1つは、活性媒質を通過する電場に対する感応性をもつナノ粒子であるケイ素ナノ粒子を活性媒質内で使用することによって達成される。従って、本発明は、既知の先行技術とは異なり、半導体を用いた活性イオンの電気的励起に依存している。 One of the above-mentioned objects is achieved by using silicon nanoparticles in the active medium, which are nanoparticles sensitive to an electric field passing through the active medium. Thus, the present invention relies on the electrical excitation of active ions using semiconductors, unlike the known prior art.
この目的で、本発明はとりわけ、活性媒質及びこの活性媒質の両側に配置された少なくとも2つの電極を含んで成るレーザー増幅構造において、前述の活性媒質が、ケイ素ナノ粒子及び希土類イオンで同時ドープされた酸化ケイ素の第1層(以下同時ドープ層と呼ぶ)を含んで成るレーザー増幅構造に関する。実際には、前述の電極は電源に接続され、かくして使用中、前述の第1層内を電流が流れ前述のケイ素ナノ粒子を励起するようになっている。このレーザー増幅構造は電気的に励起可能である。 For this purpose, the present invention inter alia, in a laser amplification structure comprising an active medium and at least two electrodes arranged on both sides of the active medium, said active medium being co-doped with silicon nanoparticles and rare earth ions. And a laser amplification structure comprising a first layer of silicon oxide (hereinafter referred to as a co-doped layer). In practice, the aforementioned electrodes are connected to a power source, and thus in use, a current flows through the aforementioned first layer to excite the aforementioned silicon nanoparticles. This laser amplification structure can be electrically excited.
ケイ素ナノ粒子は、活性媒質を通って走る電流に対し感応性をもつことがわかっている。かくして、ケイ素ナノ粒子は、電流により励起され、その後、上述のSeo et al. の刊行物の中で説明されているように希土類イオンに対してその励起エネルギーを伝達する。このとき、希土類イオンの脱励起により電磁放射線を発出するために、刺激されたレーザー発光のための従来の機序が適用される。この点において、ケイ素ナノ粒子が、その他のドーパントにそのエネルギーを伝達する能力をもつ電気ドーパントとして作用するということがわかる。 Silicon nanoparticles have been found to be sensitive to currents that run through the active medium. Thus, the silicon nanoparticles are excited by an electric current and then transfer their excitation energy to the rare earth ions as described in the Seo et al. Publication mentioned above. At this time, conventional mechanisms for stimulated laser emission are applied to emit electromagnetic radiation by deexcitation of rare earth ions. In this respect, it can be seen that the silicon nanoparticles act as electrical dopants with the ability to transfer their energy to other dopants.
従って、かかる構造は、二次光源(ポンピングレーザーダイオード)無しで行なうことを可能にする。 Such a structure thus makes it possible to do without a secondary light source (pumping laser diode).
これらの構造の1つの利用分野は、フォトニクスであり、ここでそれらは一般に半導体回路内に集積化されている。 One field of use of these structures is photonics, where they are generally integrated into semiconductor circuits.
この目的で、前述の第1層は半導体の意味合いで薄層となるようにつまり、一般に、はるかに厚い基板の上に被着されこの基板の機械的特性の恩恵を受けるようになっている、1マイクロメートル(1μm)より小さいか又は実質的にこれに等しい厚みをもつ層となるように想定されている。この要領で、得られた構造は多大なコンパクト性を提供し、このためデバイス又は集積回路内に容易に集積化できるようになっている。1実施形態においては、活性媒質は唯一この同時ドープされた薄層のみで構成され、従って、実質的に1マイクロメートルの厚みを有している。 For this purpose, the aforementioned first layer is thin in the semiconductor sense, that is, generally deposited on a much thicker substrate to benefit from the mechanical properties of this substrate. It is envisioned to be a layer having a thickness of less than or substantially equal to 1 micrometer (1 μm). In this manner, the resulting structure provides a great deal of compactness, so that it can be easily integrated into a device or integrated circuit. In one embodiment, the active medium is composed solely of this co-doped thin layer and thus has a thickness of substantially 1 micrometer.
酸化ケイ素層の厚みと比べたナノ粒子の寸法のため、均質な同時ドープ層を作り出すことは困難である。 Due to the size of the nanoparticles compared to the thickness of the silicon oxide layer, it is difficult to create a homogeneous co-doped layer.
この問題を解決するには、希土類イオン(そして場合によってはナノ粒子)を用いた非ドープ薄層と同時ドープ薄層を交番させる多層構造を使用することが可能である。 To solve this problem, it is possible to use a multilayer structure that alternates between undoped and co-doped thin layers using rare earth ions (and possibly nanoparticles).
この目的で、前述の活性媒質はさらに、上に前述の第1層が被着されている希土類イオンでドープされていない酸化ケイ素の薄層を含むことが想定されている。同様に、前述の非ドープ層が上に被着されている希土類イオンとケイ素ナノ粒子でドープされた酸化ケイ素の第2層を、前述の活性媒質が含むことも想定されている。この構成では、非ドープ層は、絶縁層を構成するため、2つの同時ドープ層間の電流の循環のために必要なトンネル効果を保証しなければならないことから、薄いものである必要がある。一例としては、非ドープ層のためには5nm以下の厚みが推奨される。 For this purpose, it is envisaged that the active medium further comprises a thin layer of silicon oxide not doped with rare earth ions on which the first layer is deposited. Similarly, it is envisaged that the active medium includes a second layer of silicon oxide doped with rare earth ions and silicon nanoparticles on which the undoped layer is deposited. In this configuration, the undoped layer must be thin because it constitutes an insulating layer and must ensure the tunneling effect necessary for current circulation between the two co-doped layers. As an example, a thickness of 5 nm or less is recommended for the undoped layer.
本発明は、2つの同時ドープ層及び1つの非ドープ層から成る活性媒質に制限されず、非ドープ層により2つずつ分離された多数の同時ドープ層を有する活性媒質をも提供している。数十さらには数百層、そして例外的なケースでは数千層を含む多層構造が提供されている。2つの外部層(上面層及び底面層)がSiナノ粒子及び希土類イオンで同時ドープされたものである多層活性媒質が、好ましくは選択される。このように形成された活性媒質は、全ての同時ドープ層を含む(従って光波を生成する能力をもつ)。 The present invention is not limited to an active medium consisting of two co-doped layers and one undoped layer, but also provides an active medium having a number of co-doped layers separated by two by the undoped layer. Multi-layer structures are provided, including dozens or even hundreds, and in exceptional cases thousands. A multilayer active medium is preferably chosen in which the two outer layers (top layer and bottom layer) are co-doped with Si nanoparticles and rare earth ions. The active medium thus formed contains all the co-doped layers (and thus has the ability to generate light waves).
多層実施形態においては、電極は層に平行に位置付けされており、各々の電極は、活性媒質の上面及び下面層(外部層)の表面の全て又は一部分を覆っている。底面電極は、活性媒質を直接接触している、すなわち活性媒質と成長基板の間にあるか、又は基板の下側に位置付けされ、この基板が電気伝導を可能にしているかのいずれでもあり得る。 In the multi-layer embodiment, the electrodes are positioned parallel to the layers, each electrode covering all or part of the surface of the upper and lower layers (outer layers) of the active medium. The bottom electrode can either be in direct contact with the active medium, i.e. between the active medium and the growth substrate, or it can be positioned on the underside of the substrate and this substrate allows electrical conduction.
一般に使用される活性媒質は、数ミリメートルの厚みを有する。サンプルのサイズは、散逸を改善させる(薄型ディスク)か、又はコンパクト性を増大させる(マイクロチップ)かのいずれかの目的で数百マイクロメートルに変更することができる。Nd3+イオンは、そのより大きな有効吸収及び発光断面のため、マイクロチップデバイスに充分適したものである。 Commonly used active media have a thickness of a few millimeters. The size of the sample can be changed to a few hundred micrometers for the purpose of either improving dissipation (thin discs) or increasing compactness (microchips). Nd 3+ ions are well suited for microchip devices because of their larger effective absorption and emission cross sections.
同様に、構造の集積化が容易な設計においては、構造の活性層は、層内の光を導くための屈折率及び電流注入特性に従って、およそ数μm、好ましくは1マイクロメートル前後の厚みを有する。特に、活性媒質内で単一の同時ドープ薄層が用いられる場合、厚みは、およそ1μm以下の厚みとなるように選択される。この場合の活性層は、多層アセンブリ(同時ドープ層、非ドープ層)で構成された活性媒質であるということを念頭に置いておくべきである。 Similarly, in a design that facilitates integration of the structure, the active layer of the structure has a thickness of approximately a few μm, preferably around 1 micrometer, according to the refractive index and current injection characteristics for guiding the light in the layer. . In particular, when a single co-doped thin layer is used in the active medium, the thickness is selected to be approximately 1 μm or less. It should be borne in mind that the active layer in this case is an active medium composed of a multilayer assembly (co-doped layer, undoped layer).
ケイ素ナノ粒子と希土類イオンの間のエネルギー伝達を最適化することを目的として、本発明は、同時ドープ層がナノ結晶又は非晶構造を有し、前述の活性媒質内の希土類イオンとSiナノ粒子の平均離隔距離は0.4nm以下であることを想定している。 For the purpose of optimizing energy transfer between silicon nanoparticles and rare earth ions, the present invention provides a co-doped layer having a nanocrystalline or amorphous structure, and the rare earth ions and Si nanoparticles in the active medium described above. It is assumed that the average separation distance is 0.4 nm or less.
増幅構造は、レーザー内で、共鳴光キャビティの1素子として実施される。この目的で、それには、ミラーといったような反射面が備わっている。前述の活性媒質は好ましくは、前述の電極に対し実質的に垂直に配置されたブラッグ格子を含み、前述の格子は、前述の同時ドープ層(単複)の中にフォトインスクライブされたゲルマニウムGeイオンで作られている。システムの有効性を増大させるため、活性媒質の全ての同時ドープ層は、好ましくは層同士整列させられたブラッグ格子を含んでいる。これらの格子は任意には、励起された希土類ドーパントイオンの電磁発光のためのミラーとして作用する光キャビティを閉鎖する。好ましくは、これらを電極の端部の実質的にすぐ下に、かつ場合によっては、電極が活性媒質の表面の一部のみを覆う場合には(誘導する同時ドープ層の端部で、縁部に向かって)これを超えて設置することが推奨される。実際には、2つの平行なブラッグ格子は電極の両方の側面上にあって互いに対面し、レーザー光キャビティを画定している。 The amplification structure is implemented in the laser as one element of a resonant optical cavity. For this purpose, it is provided with a reflective surface such as a mirror. Said active medium preferably comprises a Bragg grating arranged substantially perpendicular to said electrode, said grating being germanium Ge ions photoinscribed into said co-doped layer (s). It is made with. In order to increase the effectiveness of the system, all co-doped layers of the active medium preferably include Bragg gratings aligned with each other. These gratings optionally close an optical cavity that acts as a mirror for electromagnetic emission of excited rare earth dopant ions. Preferably, these are substantially directly below the edge of the electrode, and in some cases if the electrode covers only part of the surface of the active medium (at the edge of the co-doped layer, the edge It is recommended to install beyond this. In practice, two parallel Bragg gratings are on both sides of the electrode and face each other to define a laser light cavity.
好ましくは、格子の1つは半反射性である。1つの同時ドープ層しか含まない実施形態においては、2つの格子が、この同じ層内で、前述の層の(厚み内の)上面及び底面表面に対し垂直に配置される。 Preferably one of the gratings is semi-reflective. In an embodiment that includes only one co-doped layer, two gratings are placed within this same layer, perpendicular to the top and bottom surfaces (within thickness) of said layer.
さらに、前述の電極の1つは、エネルギー損失を最小限におさえながら多大な電気伝導率を提供する金(Au)から作られている。もう1つの電極は、Ni−Cr合金で作ることができる。 In addition, one of the aforementioned electrodes is made from gold (Au) that provides significant electrical conductivity while minimizing energy loss. The other electrode can be made of a Ni-Cr alloy.
1実施形態においては、電極は各々、活性媒質の相対する面の1つにそれぞれ隣接する、例えばITO(酸化インジウム錫)から作られた導電層を含む。 In one embodiment, the electrodes each include a conductive layer, for example made from ITO (Indium Tin Oxide), each adjacent one of the opposing faces of the active medium.
異なる実施形態に従うと、希土類イオンは、Nd3+、Yb3+、Er3+、Tm3+及びHo3+から選択される。 According to a different embodiment, the rare earth ions are selected from Nd 3+ , Yb 3+ , Er 3+ , Tm 3+ and Ho 3+ .
特に、Nd3+は、レーザー機器のための主要活性イオンとしての価値が急速に認められてきている。YAG:Nd3+の成功により、1.064μmへの遷移は、波長が選択基準でない利用分野について、レーザー発光に関する1つの標準となった。その他の希土類イオンのなかでも、同じ波長範囲内の発光を有するYb3+に言及しておくべきである。長い間、Nd3+イオンの光ポンピングは、このイオンが発光レーザーレベルを超える数多くのエネルギーレベルを有し、これらのレベルはランプにより発出される光の大部分を吸収することから、大きなポンピング効率をもつランプによって実施された。1980年代の800nm前後で発光するAlGaAsダイオードの開発は、レーザーダイオードポンピングを用いたレーザーを徐々にランプポンピングを用いたNd3+レーザーの代わりに利用することを要求している。主として1.06μm前後でのその発光のために用いられるNd3+イオンは、その他のイオン(Yb3+、Er3+など)の大部分がほぼ3つのレベルを伴うシステムである一方で、レーザー端子レベル(4I11/2)がレーザーエミッタレベル(4F3/2)よりも数ケタ短かい寿命を有することから、反転分布をきわめて容易に得ることのできる4つのレベルをもつレーザーシステムを含むタイプのものである。従って本発明の好ましい実施形態は、Nd3イオンを用いて提供される。これらの「その他の」イオンについては、レーザー端子レベルは、レーザー閾値に到達するために必要とされる反転分布を実施するためにさらに多大なポンピングを必要とするイオンの基本的レベルに近いことから、熱分布を受けている。かくして、Nd3+ドーパントイオンを使用することによって提供される利点は、それが所望のポンピングを達成するための電力消費量を削減するという点にある。さらに、レーザー発光の再吸収を防止するために活性媒質の長さを最適化することが必要である。有効吸収及び刺激された発光断面が、非常に重要な役割を果たす。Nd3+イオンにとっては、これらの有効吸収及び発光断面は、所定の利得媒質について、その他のイオン、特にYb3+よりもはるかに大きい。 In particular, Nd 3+ is rapidly gaining value as a major active ion for laser equipment. With the success of YAG: Nd 3+ , the transition to 1.064 μm has become one standard for laser emission for applications where wavelength is not a selection criterion. Among other rare earth ions, Yb 3+ having emission in the same wavelength range should be mentioned. For a long time, optical pumping of Nd 3+ ions has a large pumping efficiency because the ions have numerous energy levels that exceed the emission laser level, and these levels absorb most of the light emitted by the lamp. It was carried out by a lamp with The development of AlGaAs diodes that emit light at around 800 nm in the 1980s requires that lasers using laser diode pumping be gradually replaced by Nd 3+ lasers using lamp pumping. Nd 3+ ions used primarily for their emission around 1.06 μm are systems where most of the other ions (Yb 3+ , Er 3+, etc.) are almost accompanied by three levels. Since the terminal level ( 4 I 11/2 ) has a life several orders of magnitude shorter than the laser emitter level ( 4 F 3/2 ), a laser system with four levels that can obtain the inversion distribution very easily is obtained. It is a type of including. Accordingly, a preferred embodiment of the present invention is provided using Nd 3 ions. For these “other” ions, the laser terminal level is close to the fundamental level of ions that require more pumping to implement the population inversion required to reach the laser threshold. Receiving heat distribution. Thus, the advantage provided by using Nd 3+ dopant ions is that it reduces the power consumption to achieve the desired pumping. Furthermore, it is necessary to optimize the length of the active medium in order to prevent reabsorption of the laser emission. Effective absorption and stimulated emission cross section play a very important role. For Nd 3+ ions, these effective absorption and emission cross sections are much larger than other ions, especially Yb 3+ , for a given gain medium.
本発明は同様に、前述の電極に接続された定電流源、及び増幅構造を備えた光レーザーキャビティを含む光レーザーにも関する。厳密に言うと、定電流源は、使用中、特に前述の第1層内で、前述のケイ素ナノ粒子を励起する目的で前述の活性媒質を通して電流を流すように配置されている。前述の機序に従って、希土類イオンはそれ自体、Siナノ粒子から希土類イオンへのエネルギー伝達によって励起される。 The invention also relates to an optical laser comprising a constant current source connected to the aforementioned electrode and an optical laser cavity with an amplification structure. Strictly speaking, the constant current source is arranged to pass a current through the active medium for the purpose of exciting the silicon nanoparticles during use, particularly in the first layer. According to the mechanism described above, the rare earth ions are themselves excited by energy transfer from the Si nanoparticles to the rare earth ions.
かくして生産されたレーザーは、温度又は製造条件の如何に関わらず、非常に高いエネルギーパルス、スペクトル純度及び安定性といったような付加的な機能を提供しながら、レーザーダイオードと同様にコンパクトである。 The laser thus produced is as compact as a laser diode, while providing additional features such as very high energy pulses, spectral purity and stability, regardless of temperature or manufacturing conditions.
本発明は同様に、レーザー増幅構造を製造する方法において、
基板上にケイ素ナノ粒子及び希土類イオンで同時ドープされた酸化ケイ素の層を被着させる第1の段階;及び
活性媒質の両方の側面上、場合によっては前述の同時ドープ層の少なくとも一部分の上に電極を被着させる段階、を含んで成る方法にも関する。
The invention also relates to a method of manufacturing a laser amplification structure,
A first step of depositing a layer of silicon oxide co-doped with silicon nanoparticles and rare earth ions on a substrate; and on both sides of the active medium, optionally on at least a portion of said co-doped layer It also relates to a method comprising the step of depositing electrodes.
電極を被着させるためには、複数の代替案が考えられる。第1の代替案では、それが活性媒質内の電気伝導を妨げる絶縁障害物でない場合に、基板及びその(基板の)裏にあるもう1つの金属電極とは反対側の活性層の側面(この場合は同時ドープ層であるが場合によっては本明細書中の複数箇所で言及した多層アセンブリ)上に金属電極を被着させることが想定されている。 Several alternatives are conceivable for depositing the electrodes. In the first alternative, the side of the active layer opposite to the substrate and the other metal electrode behind it (if this is not an insulating obstacle that prevents electrical conduction in the active medium) In some cases, it is envisaged to deposit a metal electrode on a co-doped layer, but in some cases on a multi-layer assembly mentioned elsewhere in this specification.
第2の代替案は、ITO(酸化インジウム錫)の活性層の2つの相対する表面上に透明な導体層を被着することを想定している。特に、活性層を被着する前に基板上にITO層を被着させることが可能である。このとき、定電流源に対する接続を可能にするべく、これらの透明な導電層上に金属接点を被着させることができる。透明な導電層と接点端子で構成されたアッセンブリは、同時ドープされた活性媒質の電気的励起のために用いられる電極を形成する。 The second alternative envisages depositing a transparent conductor layer on two opposing surfaces of an ITO (indium tin oxide) active layer. In particular, it is possible to deposit an ITO layer on the substrate before depositing the active layer. At this time, metal contacts can be deposited on these transparent conductive layers to allow connection to a constant current source. The assembly composed of a transparent conductive layer and contact terminals forms an electrode that is used for electrical excitation of the co-doped active medium.
同様に、前述の基板上に導電層を被着させることによって、かつ活性媒質の反対側の表面上に活性媒質の被着段階の後に第2の電極が被着させられるという事実によって、1つの電極が活性媒質の被着段階に先立って被着されるということも想定されている。 Similarly, by depositing a conductive layer on the aforementioned substrate and by the fact that the second electrode is deposited after the active medium deposition step on the opposite surface of the active medium, one It is also envisaged that the electrode is applied prior to the application stage of the active medium.
1実施形態においては、被着段階は、第1の酸化ケイ素材料と第2の希土類材料を含む少なくとも1つの標的の反応性マグネトロン同時スパッタリングによって実施される。前述の第2の材料を前述の標的の一部分上に配置することが可能である。換言すると、共焦点同時スパッタリングプロセスにおいて単一のタイプの材料が各々備わった複数の標的を用いることが想定されている。 In one embodiment, the deposition step is performed by reactive magnetron co-sputtering of at least one target comprising a first silicon oxide material and a second rare earth material. The second material can be placed on a portion of the target. In other words, it is envisaged to use multiple targets, each with a single type of material, in a confocal co-sputtering process.
この被着段階の間、基板は陽極として作用し、標的は陰極として作用する。この機序により、陽極と陰極の間にはプラズマが作り出され、基板上に凝縮するケイ素元素、酸化物及び希土類元素の剥離を可能にする。 During this deposition phase, the substrate acts as an anode and the target acts as a cathode. By this mechanism, a plasma is created between the anode and the cathode, allowing for the separation of silicon elements, oxides and rare earth elements that condense on the substrate.
反応性マグネトロン同時スパッタリングプロセスは、薄層の形成にきわめて適している。従ってこれらのプロセスは、かくして半導体のため、そして電気的に励起された平面レーザーの生産のために適しているほぼ平面の構造の生産を可能にする。 The reactive magnetron co-sputtering process is very suitable for forming thin layers. These processes thus enable the production of substantially planar structures suitable for semiconductors and for the production of electrically excited planar lasers.
2つの変形形態に従うと、前述の少なくとも1つの標的は、複数の希土類酸化物ウェーハが載った単一の酸化ケイ素標的であり(変形形態1)、前述の少なくとも1つの標的は、ケイ素Si標的、前述の第1の酸化ケイ素SiO2材料の標的及び前述の第2の希土類材料の標的を含む(変形形態2)。 According to two variants, said at least one target is a single silicon oxide target carrying a plurality of rare earth oxide wafers (variant 1), said at least one target being a silicon Si target, Including the aforementioned target of the first silicon oxide SiO 2 material and the aforementioned target of the second rare earth material (variation 2).
第2の変形形態は、3つの平行な陰極の正常な同時スパッタリングを実施し、(より制御困難である)大域的な意味での標的のさまざまな要素の間の相互作用を制限する、という利点を有する。 The second variant has the advantage of performing normal co-sputtering of three parallel cathodes and limiting the interaction between the various elements of the target in a global sense (more difficult to control) Have
同時スパッタリング段階中に使用されるプラズマの性質は、形成される同時ドープ層の組成により大きく左右される。かくして、この同時スパッタリング段階がアルゴン、及び/又は水素、及び/又は窒素プラズマを含む真空エンクロージャ内で実施されることが想定されている。反応性スパッタリングの場合には、水素の存在により、同じく被着されたSiO2利得媒質内のケイ素余剰(ケイ素ナノ粒子)を内含させるべく酸化ケイ素を還元することが可能となっている。希土類イオンは、プラズマを用いてSi−SiO2複合材料中に導入される。この目的で、プラズマ中の水素比率は10%〜90%の間に含まれることが想定される。この比率は、被着条件(プラズマ圧力、基板温度、電極間距離など)に従って、より大量又は少量のSi結晶核の形成、ひいては被着された層内部のナノクラスタの密度を助長する。 The nature of the plasma used during the co-sputtering step is highly dependent on the composition of the co-doped layer that is formed. Thus, it is envisioned that this co-sputtering step is performed in a vacuum enclosure containing argon and / or hydrogen and / or nitrogen plasma. In the case of reactive sputtering, the presence of hydrogen makes it possible to reduce silicon oxide so as to include silicon surplus (silicon nanoparticles) in the same deposited SiO 2 gain medium. Rare earth ions are introduced into the Si—SiO 2 composite using plasma. For this purpose, it is assumed that the hydrogen ratio in the plasma is comprised between 10% and 90%. This ratio facilitates the formation of larger or smaller amounts of Si crystal nuclei and thus the density of nanoclusters within the deposited layer, depending on the deposition conditions (plasma pressure, substrate temperature, interelectrode distance, etc.).
一般に、プラズマ含有水素が純粋ケイ素標的の不在下で使用される。これは、希土類酸化物が載ったSiO2標的という仮説においてか又は2つのSiO2及びNd2O3標的という仮説においてあてはまる。後者の仮説においては、(単一層について)成長する同時ドープ層にケイ素Siを添加するためにAr+H2の混合物が使用され、そうでなければ、ナノクラスタで富化された同時ドープ層に対しケイ素Siを添加するためにAr+H2の混合物が、希土類イオンでドープされていない成長するケイ素層に対して純粋アルゴンプラズマが用いられる。 In general, plasma-containing hydrogen is used in the absence of a pure silicon target. This is true either in the hypothesis that the rare earth oxide is on a SiO 2 target or in the hypothesis of two SiO 2 and Nd 2 O 3 targets. In the latter hypothesis, a mixture of Ar + H 2 is used to add silicon Si to the growing co-doped layer (for a single layer), otherwise silicon for the co-doped layer enriched with nanoclusters. A pure argon plasma is used for a growing silicon layer in which the Ar + H 2 mixture is not doped with rare earth ions to add Si.
一方、3つの標的−Si、SiO2及びNd2O3−が被着される場合には、標的SiはSiO2ケイ素を還元する必要なくSiを伴うナノクラスタを供給することから、水素の存在は全く必要とされない。 On the other hand, when three targets -Si, SiO 2 and Nd 2 O 3- are deposited, the target Si supplies nanoclusters with Si without the need to reduce SiO 2 silicon, so the presence of hydrogen Is not required at all.
考慮に入れるべきもう1つのパラメータは、好ましくは問題の希土類イオンに応じて標的の総表面積の3〜30%の間に含まれている、前述の希土類材料が占める標的の表面積というパラメータである。このパラメータにより、ケイ素余剰(ナノ粒子)との関係における最終的被着物内の希土類イオンの比を変更することが可能となる。例えば、エルビウムイオンの場合には、最適な表面積は23%〜26%の間に含まれるが、Nd3+イオンの場合、それは12%を上回ってはならない。 Another parameter to be taken into account is the target surface area occupied by the aforementioned rare earth material, preferably comprised between 3 and 30% of the total surface area of the target, depending on the rare earth ions in question. This parameter makes it possible to change the ratio of rare earth ions in the final deposit in relation to silicon surplus (nanoparticles). For example, for erbium ions, the optimum surface area is comprised between 23% and 26%, but for Nd 3+ ions it should not exceed 12%.
前述の通りのブラッグ格子を得る目的で、前述の同時スパッタリング段階の間、前述の標的の上に、少なくとも1つのウェーハ含有ゲルマニウム(Ge)が載っていることも想定されている。同様に、反応性マグネトロン同時スパッタリングにより、ゲルマニウムイオンは、ウェーハから抽出され、被着されつつある層の中に被着される。かくして被着されたゲルマニウムイオンは、インスクライブされて前述の格子を形成する。フォトインスクリプションは、UVレーザーを用いて実施される。Geを含有する導波管の一部分の上に干渉パターンが投射され、照射済みゾーンと非照射ゾーンを誘発し、かくして格子を形成する。照射は、媒質の屈折率を修正するカラーセンターの形成を誘発する。この要領で、異なる屈折率をもつゾーンの交代が得られ、これがミラーの役目を果たす。 In order to obtain a Bragg grating as described above, it is also envisaged that at least one wafer-containing germanium (Ge) is placed on the target during the co-sputtering step. Similarly, by reactive magnetron co-sputtering, germanium ions are extracted from the wafer and deposited in the layer being deposited. The germanium ions thus deposited are inscribed to form the aforementioned lattice. Photoinscription is performed using a UV laser. An interference pattern is projected onto a portion of the waveguide containing Ge, inducing irradiated and non-irradiated zones, thus forming a grating. Irradiation induces the formation of a color center that modifies the refractive index of the medium. In this way, a change of zones with different refractive indices is obtained, which acts as a mirror.
この目的で、ブラッグ格子を形成するための正しい瞬間、すなわち同時ドープ層を被着させる時点(希土類イオンが提供されていない非ドープ層内の発光は全く存在しないため)までゲルマニウムウェーハを設置しないことを想定してもよい。 For this purpose, do not place the germanium wafer until the correct moment to form the Bragg grating, that is, when the co-doped layer is deposited (because there is no light emission in the undoped layer where no rare earth ions are provided) May be assumed.
1つの変形形態に従うと、成長する同時ドープ層全体を通してGeを被着させることが想定されている。Geイオンは、希土類イオン(例えばNd3+)の観点から見て不活性である。このとき、格子は、所望のゾーン(層の端部)でのみインスクライブされる。 According to one variant, it is envisaged to deposit Ge throughout the growing co-doped layer. Ge ions are inactive from the viewpoint of rare earth ions (eg Nd 3+ ). At this time, the grating is inscribed only in the desired zone (layer edge).
その上、層を被着するときに作り出される可能性のある分子的欠陥を修復又は削減しなくてはならない。このために、該方法は、かくして形成された前述の層を少なくとも10分間800℃〜1100℃の間に含まれる温度でアニールする段階をも含んでいる。 Moreover, molecular defects that may be created when depositing the layer must be repaired or reduced. To this end, the method also includes the step of annealing the layer thus formed at a temperature comprised between 800 ° C. and 1100 ° C. for at least 10 minutes.
1つの実施形態に従うと、該方法は、前述の電極を被着する前に前述のドープ層上にドープ多結晶ケイ素層Nを被着する段階を含んで成る。 According to one embodiment, the method comprises the step of depositing a doped polycrystalline silicon layer N on said doped layer before depositing said electrode.
上述の多層活性媒質を生産するために該方法は、
同時ドープ層を被着させる段階、及び
前述の同時ドープ層の上に非ドープ酸化ケイ素の層を形成させるための後続する被着段階、を連続して含むことができる。
In order to produce the multilayer active medium described above, the method comprises:
A step of depositing a co-doped layer and a subsequent deposition step to form a layer of undoped silicon oxide on the co-doped layer can be included in succession.
同時ドープ層の被着は、第1の酸化ケイ素材料及び第2の希土類材料を含む少なくとも1つの標的の反応性マグネトロン同時スパッタリング段階であり、前述の第2の材料は、前述の標的の1部分の上に配置されていること、そして前述の後続する被着段階は、前述の同時ドープ層の上に非ドープ酸化ケイ素層を形成するためのアルゴンプラズマを含む真空エンクロージャ内での酸化ケイ素標的の反応性マグネトロンスパッタリング段階であることが想定されている。 The deposition of the co-doped layer is a reactive magnetron co-sputtering stage of at least one target comprising a first silicon oxide material and a second rare earth material, wherein the second material is a portion of the target. And the subsequent deposition step described above is for the silicon oxide target in a vacuum enclosure containing an argon plasma to form an undoped silicon oxide layer over the co-doped layer. It is assumed that it is a reactive magnetron sputtering stage.
反応パラメータは異なることから、同時スパッタリング及びスパッタリング段階の各々について異なる陰極が選択される。 Because the reaction parameters are different, different cathodes are selected for each of the co-sputtering and sputtering stages.
より厳密に言うと、該方法は、多層構造を形成するための同時スパッタリング段階とスパッタリング段階の複数の交番を含み、実施される最初の段階及び最後の段階は、好ましくは同時ドープ層を被着するための同時スパッタリング段階であり、電極は構造内の基板と反対側の層の上面に被着されている(もう一方は基板の裏にある)。 More precisely, the method includes multiple alternations of co-sputtering steps and sputtering steps to form a multilayer structure, the first and last steps performed preferably apply a co-doped layer. The electrode is deposited on the top surface of the layer opposite the substrate in the structure (the other is on the back of the substrate).
2つの変形形態に従うと、前述のスパッタリング段階中、
アルゴンプラズマは純粋アルゴンプラズマであり、かくしていかなるSiナノ粒子も無い非ドープ層を得ることが可能となっている;
前述のプラズマは、非ドープ絶縁層内に余剰のSiを内含するべく、水素で富化されている。こうしてこの薄い絶縁層中の電気伝導が容易になり、トンネル効果が可能となる。
According to two variants, during the aforementioned sputtering stage,
Argon plasma is pure argon plasma, thus making it possible to obtain an undoped layer without any Si nanoparticles;
The plasma described above is enriched with hydrogen to include excess Si in the undoped insulating layer. Thus, electrical conduction in the thin insulating layer is facilitated, and a tunnel effect is possible.
さらに、希土類イオンは、Nd3+、Yb3+、Er3+、Tm3+及びHo3+というイオンの中から選ばれた少なくとも1つのタイプのものである。 Furthermore, the rare earth ions are of at least one type selected from the ions of Nd 3+ , Yb 3+ , Er 3+ , Tm 3+ and Ho 3+ .
さらに、光の側方誘導を可能にするための銀導波管を製造することも想定されている。これらの銀導波管は、層がひとたび被着された時点でエッチングを行なうことによって製造可能である。多層デバイスから出発して、数nmから数十nmまでの銀導波管がマスクを用いてエッチングされる。このための適切な技術は反応性イオンエッチング(RTE)である。 It is further envisaged to produce a silver waveguide to allow lateral guidance of light. These silver waveguides can be manufactured by etching once the layer has been deposited. Starting from a multilayer device, silver waveguides from several nm to several tens of nm are etched using a mask. A suitable technique for this is reactive ion etching (RTE).
本発明は同様に、レーザー増幅構造及び定電流源を備えた光キャビティを含むレーザーの動作方法において、前述のレーザー増幅構造が活性媒質及び前述の活性媒質の両方の側面上に配置された少なくとも2つの電極を含み、前述の活性媒質が、ケイ素ナノ粒子及び希土類イオンで同時ドープされている酸化ケイ素の第1層を含み;前述の定電流源は前述の電極に接続されており、前述の電極の端子に電力供給を印加することにより前述の活性媒質を通して電流を流す段階を含んで成る方法にも関する。 The invention also relates to a method of operating a laser comprising an optical cavity with a laser amplification structure and a constant current source, wherein at least two of said laser amplification structures are arranged on both sides of the active medium and said active medium. The active medium includes a first layer of silicon oxide co-doped with silicon nanoparticles and rare earth ions; the constant current source is connected to the electrode, and the electrode And a method of passing a current through the active medium by applying a power supply to the terminal.
本発明は同様に、電気ポンピングされ、ケイ素ナノ粒子及び希土類イオンで同時ドープされた酸化ケイ素の層を含んで成るレーザー増幅構造の、レーザー増幅器としての使用にも関する。この使用は、レーザー又はレーザーファイバにも同じように適用できる。 The invention also relates to the use of a laser amplification structure comprising a layer of silicon oxide electropumped and codoped with silicon nanoparticles and rare earth ions as a laser amplifier. This use is equally applicable to lasers or laser fibers.
本発明は、以下の詳細な説明及び添付図面からより良く理解できることだろう。 The invention will be better understood from the following detailed description and the accompanying drawings.
以下の例は、反応性マグネトロンスパッタリングによって製造され、従って電気的に励起された平面レーザーの生産を可能にする薄層のための、Siナノ粒子とNd3+イオンの間の有効エネルギー伝達の機構及び最適化を示す。 The following example shows the mechanism of effective energy transfer between Si nanoparticles and Nd 3+ ions for thin layers produced by reactive magnetron sputtering and thus allowing the production of electrically excited planar lasers And show optimization.
シリカ利得媒質の中に挿入されたケイ素ナノ粒子内部へのキャリア(励起子)の閉じ込めにより、かかる複合システムの電気的又は光学的励起により可視ルミネッセンスを得ることが可能となる。電気通信に適した波長(1.54μm)の分野において増幅器を製造するためのEr3+イオンと結びつけられたケイ素ナノ粒子の研究に関して、広範な作業が行なわれてきた。ナノ粒子と希土類の間には有効なエネルギー伝達が存在し、こうしてナノ粒子が存在しない場合に一般的である強度の100倍の強度で発出することが可能である。 The confinement of carriers (excitons) inside the silicon nanoparticles inserted in the silica gain medium makes it possible to obtain visible luminescence by electrical or optical excitation of such composite systems. Extensive work has been done on the study of silicon nanoparticles associated with Er 3+ ions to produce amplifiers in the field of wavelengths suitable for telecommunications (1.54 μm). There is effective energy transfer between the nanoparticle and the rare earth, and thus it is possible to emit at an intensity 100 times that which is typical in the absence of nanoparticles.
Nd3+イオンと結びつけられたケイ素ナノ粒子を含有するシリカ利得媒質が、集積レーザーの製造のために使用される。実際、ECR(電子サイクロトロン共鳴)により支援されたPECVD(プラズマ化学気相成長法)によって製造された層内でSiナノ粒子とNd3+イオンの間に伝達が存在することが近年証明された〔Seo et al. Appl. Phys. Lett.,83,2778(2003);「Nd−ナノクラスタカップリング強度及びNdドープされたケイ素富有酸化ケイ素中のNd3+ルミネッセンスの励起/脱励起におけるその効果」〕。本発明は、そのエネルギーをNd3+イオンに伝達し、かくしてこのイオンの2つのレーザーレベルの間で反転分布を作り出すケイ素ナノ粒子の電気的励起を可能にする。従って利得媒質の性質に応じて(材料及びドーパント)、1.1μm前後でのレーザー発光が得られる。 A silica gain medium containing silicon nanoparticles associated with Nd 3+ ions is used for the fabrication of integrated lasers. In fact, it has recently been demonstrated that there is a transfer between Si nanoparticles and Nd 3+ ions in a layer produced by PECVD (plasma chemical vapor deposition) assisted by ECR (electron cyclotron resonance) [ Seo et al. Appl. Phys. Lett., 83, 2778 (2003); "Nd-nanocluster coupling strength and its effect on excitation / de-excitation of Nd3 + luminescence in Nd-doped silicon-rich silicon oxide" ]. The present invention allows the electrical excitation of silicon nanoparticles that transfer their energy to the Nd 3+ ion, thus creating an inversion distribution between the two laser levels of this ion. Therefore, depending on the properties of the gain medium (material and dopant), laser emission at around 1.1 μm can be obtained.
反応性マグネトロン同時スパッタリングにより、ネオジム及びSiナノ粒子で同時ドープされたシリカガラスの薄層を製造する場合がそれである。これらの導波層は、電極のエッチング及び被着の後、電気的に励起されたレーザーシステムを生成し、これは、1.1μm前後で発光することができる。このアプローチは、ケイ素技術とコンパチブルであり、容易に集積されるコンパクトシステムを製造する現在の傾向と完全に一貫性を有するものである。 That is the case when a thin layer of silica glass co-doped with neodymium and Si nanoparticles is produced by reactive magnetron co-sputtering. These waveguiding layers create an electrically pumped laser system after electrode etching and deposition, which can emit light around 1.1 μm. This approach is compatible with silicon technology and is completely consistent with the current trend of producing compact systems that are easily integrated.
なかでも薄層を被着するべく使用される反応性同時スパッタリング技術が、図1に図式的に表わされている。 A reactive co-sputtering technique used to deposit thin layers among others is schematically represented in FIG.
純粋なシリカ標的10には、被着された層内に内含されたNd3+イオンの濃度を調節するための可変的な数のNd2O3(希土類酸化物)ウェーハ11、ならびにそのギャップを削減することによってケイ素の感応性を増大できるようにするためのGe又はGeO2の部品12が載っている〔Nishi et al.,Optics Lett.,第20巻、第10号、1184(1995年);「GeO2−SiO2ガラス中の1及び2光子吸収プロセスを通した紫外線誘発型化学反応」を参照のこと〕。このようにして、ブラッグ格子は、光キャビティのための将来のミラーとして作用し、Nd3+イオンでドープされたケイ素導波管の両端でフォトインスクライブされ、Siナノ粒子を含有する。層内に含まれている余剰のケイ素は、スパッタしてSiO2−Nd2O3−Ge化合物と相互作用するイオン化アルゴン及び水素の混合物から成るプラズマの反応性を通して得られる。酸素に関する水素の還元性を念頭に置くと、このような方法は、層内の酸素不足を結果としてもたらし、かくして水素の分圧を修正することにより余剰のケイ素の量を制御することを可能にする。このパラメータに加えて、水素といったような反応性ガスの使用は、成長する層の選択的エッチングの現象を導き、かくしてSiナノ粒子のための多数の核形成部位を助長する。結果としてのより高密度のナノ粒子は、Nd3+イオンとの一層高いカップリング強度、ひいては高い割合の光学活性イオンを保証する。被着は、50w〜120wの間で変動する電力で、6×10-2Torrを超えない気体の全圧で室温で行なわれる。この構成で、気体のイオン化は、元素を標的から引離し基板(陽極)13の上に被着させることができる。
被着後の熱処理は、800℃〜1100℃の間で実施され、かつ時間に応じて純粋なAr又はN2流の下で実施される。 The post-deposition heat treatment is carried out between 800 ° C. and 1100 ° C. and depending on the time under pure Ar or N 2 flow.
マグネトロンスパッタリングにより製造された(余剰ケイ素が存在しない)SiO2−Ndフィルムに由来するNd3+イオンの吸収スペクトルが図2に提示されている。このスペクトルは、800nmでのNd3+イオンの強い吸収(20)の存在を明らかにしており、このため励起されたSiナノ粒子とNd3+イオンの間のエネルギー伝達を予測することが可能になっている。さらに、アルゴンレーザーにより供給された488nmラインがNd3+イオンについて極めて低い共鳴を有するラインであり、この希土類イオンでのこのエネルギー伝達を明らかにするためにこの励起波長を使用することができるようにしている、ということもわかる。 The absorption spectrum of Nd 3+ ions derived from a SiO 2 —Nd film produced by magnetron sputtering (no excess silicon present) is presented in FIG. This spectrum reveals the presence of strong absorption (20) of Nd 3+ ions at 800 nm, which makes it possible to predict energy transfer between excited Si nanoparticles and Nd 3+ ions. It has become. Furthermore, the 488 nm line supplied by the argon laser is a line with very low resonance for Nd 3+ ions, so that this excitation wavelength can be used to account for this energy transfer with this rare earth ion. You can also see that
図3は、60wのRF出力で生産された薄膜のためのプラズマ中の水素比rH=RH2/PH2+PAr)に従ったNd3+イオンのフォトルミネッセンス強度の変化を示している。最高の水素比rH=RH2/PH2+PArで被着されたフィルムが、分裂発光ピークで最高の強度(30)を有することがわかる。これは、すでに言及した通り、Nd3+イオンを励起するための中継器として作用するSiナノ粒子の最大密度に起因している。Siナノ粒子が果たす増感体の役目は、純粋(又はほぼ純粋)のアルゴンプラズマ(31)で生産され従って余剰のSiをほとんど含有しないものと比べたケイ素を含有するフィルムの強度の著しい増加によって、明確に示されている。 FIG. 3 shows the change in the photoluminescence intensity of Nd 3+ ions according to the hydrogen ratio in the plasma (r H = R H2 / P H2 + P Ar ) for thin films produced with an RF power of 60 w. It can be seen that the film deposited with the highest hydrogen ratio r H = R H2 / P H2 + P Ar has the highest intensity (30) at the splitting emission peak. As already mentioned, this is due to the maximum density of Si nanoparticles acting as a relay for exciting Nd 3+ ions. The role of the sensitizers played by the Si nanoparticles is due to the significant increase in the strength of the silicon-containing film compared to those produced in pure (or nearly pure) argon plasma (31) and thus containing little excess Si. Clearly shown.
Nd3+イオンの放出に対して適用される熱処理の効果は、図4に提示されている。温度の上昇は、その強度をおよそ1ケタ増大させながら1つの放出ピークを犠牲にしてもう1つの放出ピークに著しく有利に作用する。 The effect of the heat treatment applied on the release of Nd 3+ ions is presented in FIG. The increase in temperature has a significant advantage on one emission peak at the expense of one emission peak while increasing its intensity by approximately one digit.
クラッディングを伴う又は伴わない単純な線形導波管は、電流注入を可能にするべく電極をエッチングし、被着させた後に得られる。これらの電極(Al、Au、Al−Si合金など)は、全て導波管に沿って、ならびに基板の裏面に被着させられる。電気的励起は、Siナノ粒子内部の励起子の形成を導き、これは、再結合により800nmで発光するか又はそのエネルギーを近辺にあるNd3+イオンに伝達し、従って、この希土類元素の所望の波長での発光を可能にすることになる。 A simple linear waveguide with or without cladding is obtained after etching and depositing the electrodes to allow current injection. These electrodes (Al, Au, Al—Si alloy, etc.) are all deposited along the waveguide and on the back side of the substrate. Electrical excitation leads to the formation of excitons inside the Si nanoparticles, which either emit light at 800 nm by recombination or transfer its energy to nearby Nd 3+ ions, and thus the desired properties of this rare earth element. It is possible to emit light at a wavelength of.
かかるシステム内の電気的励起は、多層構造を用いて助長可能である。実際、絶縁利得媒質(SiO2)の中に埋込まれたSiナノ粒子の最適な電気的励起を可能にするためには、Siナノ粒子は、電子注入のための「トンネル距離」(2−4nm前後)よりも小さい距離だけ互いに離隔されるのに充分な密度を有していなければならない。さらに、これらのナノ粒子は、その後そのすぐ近くにある希土類イオンに向かってその有効な増感体の役割を果たすことができるようにするキャリアの、この量子閉じ込め特性を保つように、5〜6nm前後未満のサイズを有し、酸化物でとり囲まれていなければならない。 Electrical excitation within such systems can be facilitated using multilayer structures. In fact, in order to allow optimal electrical excitation of Si nanoparticles embedded in an insulating gain medium (SiO 2 ), Si nanoparticles have a “tunnel distance” (2- It must have a density sufficient to be separated from each other by a distance smaller than (around 4 nm). In addition, these nanoparticles are then 5-6 nm so as to preserve this quantum confinement property of the carriers that allow them to act as their effective sensitizer towards the immediate rare earth ions. It must have a size less than front and back and be surrounded by oxide.
これらの多層を被着するのに使用される反応性マグネトロンスパッタリング技術は、図5において図式的な形で示されている。これにより、被着された異なるタイプの層の厚みならびに希土類イオンの場所を、その発光を最適化するように制御することが可能である。これは、2つの側面、すなわち、2つの陰極(50a及び50b)の使用及び基板−ホルダ(陽極51)の逐次的回転による交番被着に関連する技術的側面、そしてプラズマ中にあり、従ってシリカ標的と相互作用する水素の存在に関連する反応的側面、によって特徴付けられる。2つの標的はシリカで作られ、1つには、それが内含する希土類の濃度を調節するように可変的な数の希土類酸化物ウェーハ(52)が載っている。 The reactive magnetron sputtering technique used to deposit these multilayers is shown in schematic form in FIG. This makes it possible to control the thickness of the different types of deposited layers as well as the location of the rare earth ions so as to optimize their emission. This is in two aspects: technical aspects related to the use of two cathodes (50a and 50b) and alternating deposition by sequential rotation of the substrate-holder (anode 51), and in the plasma, and thus silica. Characterized by the reactive aspect associated with the presence of hydrogen interacting with the target. The two targets are made of silica, and one has a variable number of rare earth oxide wafers (52) to adjust the concentration of the rare earth it contains.
被着シーケンスは以下の通りである:
基板(又は陽極)が、希土類酸化物部品が載った標的に対面している(位置B)場合、被着は、水素を混合されたアルゴンプラズマ(〜1:1)下で実施される(53)。シリカ標的由来の酸素に関する水素の還元力を念頭に置くと、被着された層はこのとき、酸化物ウェーハの同時スパッタリングにより取込まれた希土類イオンの隣に余剰のケイ素を含有する。
The deposition sequence is as follows:
If the substrate (or anode) is facing the target on which the rare earth oxide component is placed (position B), the deposition is performed under a hydrogen-mixed argon plasma (˜1: 1) (53). ). With the hydrogen reducing power with respect to oxygen from the silica target in mind, the deposited layer now contains excess silicon next to the rare earth ions incorporated by co-sputtering of the oxide wafer.
SiO2層の被着は、純粋アルゴンプラズマ下で、純粋シリカ標的の反対側に基板を設置することにより実施される(位置A)(54)。 The deposition of the SiO 2 layer is performed by placing the substrate on the opposite side of the pure silica target under pure argon plasma (position A) (54).
これらのシーケンスは、生産されたフィルムについての所定の構造的特徴及び光学特性を得るのに必要な回数だけ反復される。 These sequences are repeated as many times as necessary to obtain the predetermined structural features and optical properties for the produced film.
図6は、Siナノ粒子及び希土類イオンで同時ドープされた3つの層60が、2つの絶縁酸化ケイ素層61で分離されている多層構造を示す。レーザーの光キャビティを形成するため、2つの外側層の各々の中にブラッグ格子62がインスクライブされる。電極63は、多層活性媒質の両方の側に設置され、層の重畳を通して電流を流す定電流源Gによる電力供給を受ける。構造の片側の格子62a(図の左側)は半反射性であり、構造の反対側の格子62bはほぼ完全な鏡である。この要領で、循環する電流により励起されるレーザー構造からの発光64は同じ側(図中の左側)で実施される。
FIG. 6 shows a multilayer structure in which three
図7は、電極に付随する特定の特長を図6の構造と全体的に又は部分的に組合せることのできる、本発明に従ったもう1つの構造を示している。 FIG. 7 shows another structure according to the present invention in which certain features associated with the electrodes can be combined in whole or in part with the structure of FIG.
この構造のさまざまな層の被着は、前述の通り、反応性マグネトロンスパッタリング方法によって実施される。 The deposition of the various layers of this structure is performed by a reactive magnetron sputtering method as described above.
該構造は、ケイ素基板(70)上に層状に被着されている。これは、以下の順序で次のものを含む:
5μm前後の厚み、及び実質的に1.45に等しい媒質屈折率をもつシリカSiO2で作られた第1の中間層(バッファ)71;
100nm未満の厚み、及びおよそ1.9に等しい屈折率をもつITO(酸化インジウム錫)の透明な導電層72;
500nm〜1μmの間に含まれる厚み、及び1.5〜2の間に含まれる屈折率を有するケイ素ナノ粒子及び希土類イオンで同時ドープされた層を含む活性媒質73.図6を参照して記述された通りの多層構造も提供できる;
好ましくは、レーザー入口として作用する側面以外の活性媒質の側面(標準的には部分反射するブラッグミラーが備わった側面)上である、活性媒質73により覆われていない層72の一部分の上にある単数又は複数の金属端子74。この端子74は、ITO層から活性媒質73の一部分を除去することによってか、又は該活性媒質73の被着が当初ITO層72の単一の部分についてのみ計画されている場合には、金属の局所化された被着によって被着可能である;
第1のITO層72に類似した特長を有する、活性媒質上の第2の透明なITO導電層75;
200nmというおおよその厚み及び1.45前後の媒質屈折率を有するシリカSiO2の第2の中間層76。この層は、ITO層75の一部分の上のみに被着される;
第2のITO層75と直接接触する単数又は複数の金属端子76。
The structure is deposited in layers on a silicon substrate (70). This includes the following in the following order:
A first intermediate layer (buffer) 71 made of silica SiO 2 having a thickness of around 5 μm and a medium refractive index substantially equal to 1.45;
A transparent
Active medium comprising a layer co-doped with silicon nanoparticles and rare earth ions having a thickness comprised between 500 nm and 1 μm and a refractive index comprised between 1.5 and 2 73. A multilayer structure as described with reference to FIG. 6 can also be provided;
Preferably, on the side of the active medium other than the side that acts as the laser entrance (typically the side with a partially reflecting Bragg mirror), on a part of the
A second transparent ITO
A second
One or
第1のITO層72と接触した状態にある金属端子(単複)74は、定電流源78の端子に接続され、第2のITO層75と接触した状態にある金属端子77は、定電流源78のもう一方の端子に接続されて、ITO層72及び78の伝導性の結果活性媒質73を通って電流を流す。この実施形態においては、各ITO層及び金属端子アセンブリが、電気的に励起可能なレーザーの電極であるとみなされている。
The metal terminal (s) 74 in contact with the
こうして、活性媒質によって形成された導波管内部での(レーザー現象をひき起こす希土類イオンの脱励起の結果として得られる)光子の分布がひき起こされる。 This causes a photon distribution (obtained as a result of deexcitation of the rare earth ions causing the laser phenomenon) inside the waveguide formed by the active medium.
この構造は、基板と活性層の間の中間シリカ層の存在により誘発されるポテンシャル障壁を克服するという利点をもつ。 This structure has the advantage of overcoming the potential barrier induced by the presence of an intermediate silica layer between the substrate and the active layer.
活性媒質(増幅媒質)内での光の誘導を保証するために、導波管の両方の側で、より低い屈折率が用いられる(活性層73では最低1.5であるのに対して層71及び76は屈折率1.45を有する)。光信号の誘導及び増幅に対する透明導電層72及び75の影響を低減させるため、そして特にエバネセント波に起因する損失を回避するため、透明層は、約数十nmの薄いものとなるように選択される。さらに、これらの層は、潜在的に、電荷キャリアのための克服すべきポテンシャル障壁を表わしている。かくして、該層は、場合によってはおよそ数nmから10nmというきわめて薄いものである。
A lower index of refraction is used on both sides of the waveguide to ensure the guidance of light in the active medium (amplification medium) (layers as low as 1.5 in the active layer 73). 71 and 76 have a refractive index of 1.45). In order to reduce the influence of the transparent
以下の希土類は、Siナノ粒子が果たす有効な増感体の役目の恩恵を受けることができる:
1μm前後での発光のためのYb3+イオン。
特にコンピュータにおける、光輸送及び情報の光学的伝達を可能にすることになる1.54μmでの発光のためのEr3+イオン。
医療分野における距離測定、眼球の保護を含めた利用分野のための2μmに近い発光のためのTm3+イオン。
同じく2μm前後での発光のための、ひいてはTm3+イオンと同じ利用分野のためのHo3+イオン。
The following rare earths can benefit from the role of effective sensitizers performed by Si nanoparticles:
Yb 3+ ions for light emission around 1 μm.
Er 3+ ions for light emission at 1.54 μm, which will allow light transport and optical transmission of information, especially in computers.
Tm 3+ ions for luminescence close to 2 μm for applications including distance measurement in the medical field, eye protection.
Also 2μm for light emission before and after, Ho 3+ ions for the same FIELD and therefore Tm 3+ ions.
さらに、以下のような異なるタイプの利得媒質を使用することができる:
二酸化ケイ素 SiO2;
酸化ケイ素 SiOx;
酸窒化ケイ素 SiOxNy。
In addition, different types of gain media can be used:
Silicon dioxide SiO 2 ;
Silicon oxide SiOx;
Silicon oxynitride SiOxNy.
酸窒化ケイ素利得媒質については、前述のプラズマが窒素で富化され、かくしてSiナノ粒子の存在下でその内部での電気伝導を助長する酸窒化物利得媒質を形成できるようにすることが可能である。窒素の存在は、水素の存在を補完することができる。 For silicon oxynitride gain media, it is possible to allow the aforementioned plasma to be enriched with nitrogen, thus forming an oxynitride gain medium that facilitates electrical conduction therein in the presence of Si nanoparticles. is there. The presence of nitrogen can complement the presence of hydrogen.
Claims (28)
基板上にケイ素ナノ粒子及び希土類イオンで同時ドープされた酸化ケイ素の層を被着させる第1の段階;及び
活性媒質の両方の側面上に電極を被着させる段階、を含んで成る方法。 A method of manufacturing a laser amplification structure, comprising:
A first step of depositing a layer of silicon oxide co-doped with silicon nanoparticles and rare earth ions on a substrate; and depositing electrodes on both sides of the active medium.
同時ドープ層を被着させる段階、及び
前記同時ドープ層の上に非ドープ酸化ケイ素の層を形成させるための後続する被着段階、
を連続して含んでいる請求項11に記載の方法。 The step of depositing the active medium is
Depositing a co-doped layer; and a subsequent deposition step to form a layer of undoped silicon oxide on the co-doped layer;
The method according to claim 11, comprising:
前記レーザー増幅構造が活性媒質及び前記活性媒質の両方の側面上に配置された少なくとも2つの電極を含み、前記活性媒質が、ケイ素ナノ粒子及び希土類イオンで同時ドープされている酸化ケイ素の第1層を含み、
前記定電流源は前記電極に接続されており、
前記電極の端子に電力供給を印加することにより前記活性媒質を通して電流を流す段階を含んで成る方法。 A method of operating a laser including an optical cavity with a laser amplification structure and a constant current source,
A first layer of silicon oxide wherein the laser amplification structure includes at least two electrodes disposed on both sides of the active medium and the active medium, the active medium being co-doped with silicon nanoparticles and rare earth ions Including
The constant current source is connected to the electrode;
Flowing a current through the active medium by applying a power supply to a terminal of the electrode.
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US73850005P | 2005-11-21 | 2005-11-21 | |
PCT/FR2006/002558 WO2007057580A2 (en) | 2005-11-21 | 2006-11-21 | Electrically pumped nd3+ doped solid lasers |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2009516911A true JP2009516911A (en) | 2009-04-23 |
Family
ID=37965262
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2008540659A Pending JP2009516911A (en) | 2005-11-21 | 2006-11-21 | Electrically pumped ND3 + doped solid state laser |
Country Status (4)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US20100034232A1 (en) |
EP (1) | EP1952492A2 (en) |
JP (1) | JP2009516911A (en) |
WO (1) | WO2007057580A2 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2019164260A (en) * | 2018-03-20 | 2019-09-26 | 住友大阪セメント株式会社 | Optical modulator |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101486422B1 (en) * | 2008-05-16 | 2015-01-27 | 삼성전자주식회사 | Optical amplifying medium, method of manufacturing the optical amplifying medium, and optical device comprising the optical amplifying medium |
US9793676B1 (en) | 2016-11-07 | 2017-10-17 | Dicon Fiberoptics, Inc. | Solid-state optical amplifier having an active core and doped cladding in a single chip |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2002323623A (en) * | 1995-07-28 | 2002-11-08 | Nauchny Tsentr Volokonnoi Optiki Pri Inst Obschei Fiziki Rossiiskoi Akad Nauk | Bragg fiber grating and method for modifying refractive index of bragg fiber grating |
JP2004296781A (en) * | 2003-03-27 | 2004-10-21 | Tokai Univ | Nano-silicon light-emitting element and its manufacuring method |
WO2004095592A2 (en) * | 2003-03-21 | 2004-11-04 | Intel Corporation | A system and method for an improved light-emitting device |
JP2005516409A (en) * | 2002-01-29 | 2005-06-02 | ラックスパート テクノロジーズ カンパニー リミティッド | Thin film for optical element, light emitting structure using the same, and method for producing the same |
JP2007535806A (en) * | 2004-04-30 | 2007-12-06 | ニューサウス・イノヴェイションズ・ピーティーワイ・リミテッド | Application to artificial amorphous semiconductors and solar cells |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7440180B2 (en) * | 2004-02-13 | 2008-10-21 | Tang Yin S | Integration of rare-earth doped amplifiers into semiconductor structures and uses of same |
-
2006
- 2006-11-21 US US12/094,414 patent/US20100034232A1/en not_active Abandoned
- 2006-11-21 WO PCT/FR2006/002558 patent/WO2007057580A2/en active Application Filing
- 2006-11-21 EP EP06831149A patent/EP1952492A2/en not_active Withdrawn
- 2006-11-21 JP JP2008540659A patent/JP2009516911A/en active Pending
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2002323623A (en) * | 1995-07-28 | 2002-11-08 | Nauchny Tsentr Volokonnoi Optiki Pri Inst Obschei Fiziki Rossiiskoi Akad Nauk | Bragg fiber grating and method for modifying refractive index of bragg fiber grating |
JP2005516409A (en) * | 2002-01-29 | 2005-06-02 | ラックスパート テクノロジーズ カンパニー リミティッド | Thin film for optical element, light emitting structure using the same, and method for producing the same |
WO2004095592A2 (en) * | 2003-03-21 | 2004-11-04 | Intel Corporation | A system and method for an improved light-emitting device |
JP2004296781A (en) * | 2003-03-27 | 2004-10-21 | Tokai Univ | Nano-silicon light-emitting element and its manufacuring method |
JP2007535806A (en) * | 2004-04-30 | 2007-12-06 | ニューサウス・イノヴェイションズ・ピーティーワイ・リミテッド | Application to artificial amorphous semiconductors and solar cells |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2019164260A (en) * | 2018-03-20 | 2019-09-26 | 住友大阪セメント株式会社 | Optical modulator |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2007057580A8 (en) | 2008-07-10 |
WO2007057580A3 (en) | 2007-07-12 |
US20100034232A1 (en) | 2010-02-11 |
EP1952492A2 (en) | 2008-08-06 |
WO2007057580A2 (en) | 2007-05-24 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR101308229B1 (en) | Light emitting slot-waveguide device | |
Pacifici et al. | Erbium-doped Si nanocrystals: optical properties and electroluminescent devices | |
US7030419B2 (en) | Thin film for optical applications, light-emitting structure using the same and the fabrication method thereof | |
Makarova et al. | Enhanced light emission in photonic crystal nanocavities with Erbium-doped silicon nanocrystals | |
EP3017489B1 (en) | Materials for optoelectronic devices and method of fabrication of an optoelectronic device | |
US7916986B2 (en) | Erbium-doped silicon nanocrystalline embedded silicon oxide waveguide | |
WO2008117249A1 (en) | Integrated optical waveguide amplifier or laser with rare earth ions and sensitizer elements co-doped core and related optical pumping method | |
Wang et al. | Erbium silicate compound optical waveguide amplifier and laser | |
JP2009516911A (en) | Electrically pumped ND3 + doped solid state laser | |
Chen et al. | Detachable surface plasmon substrate to enhance CH3NH3PbBr3 lasing | |
Kenyon | Quantum confinement in rare-earth doped semiconductor systems | |
WO2007067165A1 (en) | Enhanced electrical characteristics of light-emitting si-rich nitride films | |
Vázquez et al. | Analysis of ion implanted waveguides formed on Nd: YVO4 crystals | |
Rönn | Fabrication and characterization of atomic-layer-deposited Er2O3 for optical amplifier devices | |
WO2005002006A2 (en) | Impurity-based electroluminescent waveguide amplifier and methods for amplifying optical data signals | |
Serna et al. | Improving the photoluminescence of thin films by nanostructuring the rare-earth ion distribution | |
Daldosso et al. | Low-dimensional silicon as a photonic material | |
Yu et al. | Controlled modification of erbium lifetime by near-field coupling to metallic films | |
Shin et al. | Materials and devices for compact optical amplification in Si photonics | |
Seo et al. | Rare-earth-doped nanocrystalline silicon: excitation and de-excitation mechanisms and implications for waveguide amplifier applications | |
Miritello et al. | Er doped-Si nanostructures coupled with photonic crystals for high enhancement of light extraction | |
Vallée et al. | Upconverter Nanoparticles as Plasmon-induced Broadband Light Converters | |
Iacona et al. | Er-based materials for Si microphotonics | |
Raoux et al. | Plasma synthesis of rare earth doped integrated optical waveguides | |
JP2005268732A (en) | Optical amplifier and manufacturing method therefor |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20091117 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20111207 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20111213 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20120515 |